KR102240723B1 - Controller comprising position predict unit and a control method thereof - Google Patents

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KR102240723B1
KR102240723B1 KR1020190147789A KR20190147789A KR102240723B1 KR 102240723 B1 KR102240723 B1 KR 102240723B1 KR 1020190147789 A KR1020190147789 A KR 1020190147789A KR 20190147789 A KR20190147789 A KR 20190147789A KR 102240723 B1 KR102240723 B1 KR 102240723B1
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조동일
한지석
김영석
이상훈
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서울대학교산학협력단
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Abstract

Provided are a controller capable of solving problems wherein performance degradation and stability cannot be maintained due to a time delay in a control system using a variable structure control method, and a control method of the controller. The controller comprises: a state variable calculation unit that calculates a state variable based on a position feedback of a load unit; a position prediction unit that generates the state variable for which the time delay is compensated based on an output of the state variable calculation unit and a control input of an immediately preceding sampling step; and a variable structure control unit that performs variable structure control in which a reference input from the outside and a state variable for which the time delay is compensated are input to follow the reference.

Description

위치 예측부를 포함하는 제어기 및 이의 제어 방법{Controller comprising position predict unit and a control method thereof}Controller comprising position predicting unit and a control method thereof

본 발명은 위치 예측부를 포함하는 제어기 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시간 지연이 있는 제어 시스템을 보다 안정적으로 제어할 수 있는 제어기 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a controller including a position prediction unit and a control method thereof, and more particularly, to a controller capable of stably controlling a control system having a time delay, and a control method thereof.

[국가지원 연구개발에 대한 설명][Explanation of nationally supported R&D]

본 연구는 중소벤처기업부 월드클래스300 (WC300) 사업(스마트머신/협업로봇 유연 대응을 위한 로봇모션 제어 솔루션 개발, 과제 고유번호: S2563339)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This study was made with the support of the Ministry of SMEs World Class 300 (WC300) project (developing a robot motion control solution for flexible response to smart machines/collaborative robots, task identification number: S2563339).

서보 모터 제어 시스템은 입력되는 명령과 플랜트의 엔코더 피드백 출력을 이용하여 제어 전류 입력을 생성하고 엔코더 피드백 값이 원하는 입력 명령을 추종하게 하는 피드백 제어 시스템이다. 비례-적분-미분 제어 방법 (Proportional-Integral-Derivative control)이라 불리우는 PID 제어 방법이 피드백 제어 시스템의 대표적인 예이다. 하지만, 선형 제어 방법인 PID 제어기는 모델의 비선형성이나 외란의 영향을 많이 받기 때문에, 부하의 종류나 구동 환경에 맞는 별도의 튜닝 과정이 필요하다는 단점이 있다.The servo motor control system is a feedback control system that generates a control current input using an input command and an encoder feedback output of a plant, and makes the encoder feedback value follow a desired input command. A PID control method called Proportional-Integral-Derivative control is a representative example of a feedback control system. However, since the PID controller, which is a linear control method, is highly affected by model nonlinearity or disturbance, it has a disadvantage in that it requires a separate tuning process suitable for the type of load or driving environment.

이러한 단점을 극복하기 위해 비선형 제어의 일종인 가변 구조 제어 방법이 제안된 바 있다. 가변 구조 제어 방법은 일정 크기의 매개변수의 변화나 외란에 대해서도 견실성을 갖는 강인 제어 방법이다. 가변 구조 제어 방법은 PID 제어 방법보다 성능이 월등히 좋으며, 특히 가변 구조 제어 방법과 외란 보상 기법이 함께 적용될 경우, 외란에 대한 시스템의 안정성이 더 크게 확보되며, 가변 구조 제어 방법의 단점인 채터링 문제를 감소시킬 수 있다. 상기 제어기법들의 견실성을 이용하여 비선형 플랜트에도 쉽게 적용이 가능하고, 사용자의 입력이 필요 없는 무 튜닝 비선형 제어기의 구현이 가능하다.In order to overcome this drawback, a variable structure control method, which is a kind of nonlinear control, has been proposed. The variable structure control method is a robust control method that is robust against changes in parameters or disturbances of a certain size. The variable structure control method has much better performance than the PID control method. In particular, when the variable structure control method and the disturbance compensation method are applied together, the stability of the system against disturbances is secured, and the chattering problem, which is a disadvantage of the variable structure control method. Can be reduced. By using the robustness of the above control methods, it can be easily applied to a nonlinear plant, and it is possible to implement a non-tuning nonlinear controller that does not require user input.

그러나, 일반적인 디지털 서보 제어 시스템은 엔코더의 통신, 제어 입력을 생성하는 데에 필요한 연산 등에 시간이 소요되어 필연적으로 시간 지연이 발생한다. 이러한 시간 지연은 전체 시스템의 성능과 안정성이 저하되는 요인이 될 수 있기 때문에, 이를 보상하는 기술이 매우 중요하다. 가변 구조 제어 방법과 외란 보상기를 이용한 서보 시스템의 경우 시간 지연을 일반화된 외란으로 간주하여 시간 지연으로 인한 영향을 보상할 수 있지만, 그 효과가 제한되어 있기 때문에 시스템의 안정도를 높이기 위해 시간 지연을 더 효과적으로 보상하는 방법이 필요하다.However, a general digital servo control system takes time for communication of an encoder and an operation required to generate a control input, and inevitably a time delay occurs. Since this time delay can be a factor that deteriorates the performance and stability of the entire system, a technique to compensate for this is very important. In the case of the servo system using the variable structure control method and the disturbance compensator, the time delay can be regarded as a generalized disturbance and the effect of the time delay can be compensated. We need a way to effectively compensate.

Y. Eun, et al., “Discrete-time Variable Structure Controller with a Decoupled Disturbance Compensator and Its Application to a CNC Servomechanism,” IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol.7, no. 4, pp. 414-423, 1999.Y. Eun, et al., “Discrete-time Variable Structure Controller with a Decoupled Disturbance Compensator and Its Application to a CNC Servomechanism,” IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol. 7, no. 4, pp. 414-423, 1999.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가변 구조 제어 방법을 이용하는 제어 시스템에서 시간 지연으로 인한 성능 저하와 안정성이 유지되지 못하는 문제점을 해결할 수 있는 제어기 및 제어기의 제어 방법을 제공한다.The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and provides a controller and a control method of the controller capable of solving the problems of performance degradation and inability to maintain stability due to a time delay in a control system using a variable structure control method.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어기는 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 상태 변수 계산부; 상기 상태 변수 계산부의 출력과 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 위치 예측부; 및 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 가변 구조 제어부를 포함한다.A controller according to an embodiment of the present invention includes a state variable calculation unit that calculates a state variable based on the position feedback of the load unit; A position prediction unit for generating a state variable for which a time delay is compensated based on an output of the state variable calculation unit and a control input of a previous sampling step; And a variable structure control unit for performing variable structure control to follow the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 상태 변수 계산부가, 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 단계; 상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 단계; 및 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 단계를 포함한다.A method for controlling a controller according to another embodiment of the present invention includes the steps of, by a state variable calculation unit, calculating a state variable based on position feedback of the load unit; Generating a state variable compensated for the time delay based on the state variable and a control input of the previous sampling step; And performing variable structure control of following the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 하드웨어와 결합되어 상기 제어기의 제어 방법을 실행하도록 매체에 저장된다.A computer program according to another embodiment of the present invention is stored in a medium to execute a method of controlling the controller by being combined with hardware.

본 발명의 일 실시예에 따른 제어기 및 이의 제어 방법은 시간 지연이 발생하는 상황에서 위치 예측 값을 활용해 시간 지연을 보상함으로써, 제어 성능의 저하를 방지하고, 안정성을 확보할 수 있다.The controller and its control method according to an embodiment of the present invention compensate for the time delay using a position prediction value in a situation in which a time delay occurs, thereby preventing deterioration of control performance and securing stability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기가 포함되는 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 레퍼런스를 도시한 그래프이다.
도 4는 종래의 가변 구조 및 외란 보상을 구비한 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법의 순서도이다.
도 7은 레퍼런스를 추종하는 제어를 수행하는 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다.
1 is a block diagram of a control system including a controller according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are graphs illustrating exemplary references.
4 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a conventional controller having a variable structure and disturbance compensation.
5 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a controller according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart of a control method of a controller according to another embodiment of the present invention.
7 is a flow chart showing detailed steps of performing control following a reference.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 결정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The detailed description of the present invention described below refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. The terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions, but this may vary according to the intention or custom of a technician working in the field, or the emergence of new technologies. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily determined by the applicant, and in this case, the meaning will be described in the description section of the corresponding specification. Therefore, terms used in the present specification should be interpreted based on the actual meaning of the term and the entire contents of the present specification, not a simple name of the term.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기가 포함되는 제어 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 제어 시스템(10)은 제어기(110), 부하부(120)를 포함한다. 1 is a block diagram of a control system including a controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the control system 10 includes a controller 110 and a load unit 120.

제어기(110)는 부하부(120)에 포함된 제어 대상(122)을 위한 제어 입력(

Figure 112019118146409-pat00001
)를 발생한다. 제어기(110)에서 발생한 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00002
)은 부하부(120)에 전달된다. 부하부(120)는 전류 제어기(121), 제어 대상(122) 및 엔코더(123)를 포함한다. 먼저, 제어기(110)로부터 전류 제어기(121)로 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00003
)이 전달되면, 전류 제어기(121)는 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00004
)에 상응하는 구동 전류를 제어 대상(122, 또는 부하)에 제공한다. 그리고, 엔코더(123)는 예를 들어, 구동된 제어 대상(122)의 상태를 측정하여 피드백 정보(
Figure 112019118146409-pat00005
)를 제어기(110)에 피드백으로서 제공한다. 제어기(110)는 이후의 서보 모터 제어시 수신된 피드백(
Figure 112019118146409-pat00006
)을 참조한다. 여기서, 피드백 정보는 각변위를 기초로 생성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제어 대상의 각변위(angular position) 및/또는 각속도(angular velocity)를 기초로 생성된 정보일 수도 있다. 전류 제어기(121), 모터(122) 및 엔코더(123)의 구체적인 구성 및 동작 방법은 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그에 대한 설명은 생략한다.The controller 110 is a control input for the control target 122 included in the load unit 120 (
Figure 112019118146409-pat00001
) Occurs. Control input generated from the controller 110 (
Figure 112019118146409-pat00002
) Is transmitted to the load unit 120. The load unit 120 includes a current controller 121, a control target 122, and an encoder 123. First, a control input from the controller 110 to the current controller 121 (
Figure 112019118146409-pat00003
) Is transmitted, the current controller 121 is a control input (
Figure 112019118146409-pat00004
A driving current corresponding to) is provided to the control object 122 (or a load). And, the encoder 123 measures the state of the driven control object 122, for example, and feedback information (
Figure 112019118146409-pat00005
) To the controller 110 as feedback. The controller 110 receives the feedback (
Figure 112019118146409-pat00006
). Here, the feedback information may be generated based on an angular displacement, but is not limited thereto, and may be information generated based on an angular position and/or an angular velocity of a control target. Since the detailed configuration and operation method of the current controller 121, the motor 122, and the encoder 123 are widely known in the art, a description thereof will be omitted here.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제어기(110)는 가변 구조 제어 기능과 외란 보상 기능을 함께 제공할 수 있는 가변 구조 제어부(111) 및 상태 변수 계산부(112)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 가변 구조 제어부(111)는 절환 함수 계산부(111A), 외란 추정부(111B), 제어 입력 계산부(111C)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 제어기(110)는 부하부(120)에서 제공되는 피드백 값의 시간 지연을 보상하기 위한 위치 예측부(113)를 더 포함할 수 있다.2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the controller 110 of the present invention may include a variable structure control unit 111 and a state variable calculation unit 112 that can provide both a variable structure control function and a disturbance compensation function. Specifically, the variable structure control unit 111 may include a switching function calculation unit 111A, a disturbance estimation unit 111B, and a control input calculation unit 111C. In addition, the controller 110 of the present invention may further include a position prediction unit 113 for compensating for a time delay of a feedback value provided from the load unit 120.

여기서, 실시예들에 따른 제어기(110) 및 이를 구성하는 각각의 장치 또는 부(unit)는, 전적으로 하드웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 본 발명의 제어기(110)의 각각의 구성요소는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭한다. 하드웨어는 CPU(Central Processing Unit) 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 절환 함수 계산부(111)는, 하드웨어 및 이를 위한 소프트웨어의 조합을 지칭할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 제어기(110)를 구성하는 각 부는 반드시 물리적으로 구분되는 별개의 구성요소를 지칭하는 것으로 의도되지 않는다. 즉, 도 2에서 제어기(110)의 각 부는 서로 구분되는 별개의 블록으로 도시되었으나, 이는 제어기(110)를 이에 의해 실행되는 동작에 의해 기능적으로 구분한 것이다. 실시예에 따라서는 전술한 각 부 중 일부 또는 전부가 동일한 하나의 장치 내에 집적화될 수 있으며, 또는 하나 이상의 부가 다른 부와 물리적으로 구분되는 별개의 장치로 구현될 수도 있다. 예컨대, 각각의 부는 분산 컴퓨팅 환경 하에서 서로 통신 가능하게 연결된 컴포넌트들일 수도 있다.Here, the controller 110 and each device or unit constituting the controller 110 according to the embodiments may have an aspect that is entirely hardware, or partially hardware and partially software. For example, each component of the controller 110 of the present invention refers to a combination of hardware and software driven by the hardware. The hardware may be a data processing device including a central processing unit (CPU) or another processor. In addition, software driven by hardware may refer to an executing process, an object, an executable file, a thread of execution, a program, and the like. For example, the switching function calculation unit 111 may refer to a combination of hardware and software for the same. In addition, in the present specification, each unit constituting the controller 110 is not necessarily intended to refer to separate components that are physically separated. That is, in FIG. 2, each unit of the controller 110 is shown as a separate block that is distinguished from each other, but this is functionally divided by the operation performed by the controller 110. Depending on the embodiment, some or all of the above-described units may be integrated into the same single device, or one or more units may be implemented as separate devices that are physically separated from other units. For example, each unit may be components that are communicatively connected to each other in a distributed computing environment.

먼저, 위치 예측부(113)를 적용하지 않은 상태에서 가변 구조 제어부(111) 및 상태 변수 계산부(112)의 기능 및 특징에 대해 설명한 후, 위치 예측부(113)를 적용함에 따라 나타나는 본 발명의 기술적 특징을 더 서술하도록 한다.First, the functions and characteristics of the variable structure control unit 111 and the state variable calculation unit 112 are described in a state in which the position prediction unit 113 is not applied, and then the present invention that appears as the position prediction unit 113 is applied. Let's further describe the technical characteristics of

제어기(110)는 하기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력 받은 레퍼런스(

Figure 112019118146409-pat00007
)를 추종하도록 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00008
)을 생성하도록 구성될 수 있다.In the system environment of the discrete time state-space equation according to Equation 1 below, the controller 110 receives an input reference (
Figure 112019118146409-pat00007
Control input (
Figure 112019118146409-pat00008
) Can be configured to generate.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019118146409-pat00009
Figure 112019118146409-pat00009

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00010
는 상태 변수로,
Figure 112019118146409-pat00011
는 위치 피드백,
Figure 112019118146409-pat00012
는 속도 피드백 값이며,
Figure 112019118146409-pat00013
는 제어기로부터 제공되는 제어 입력,
Figure 112019118146409-pat00014
는 일반화된 외란,
Figure 112019118146409-pat00015
는 시스템 매트릭스로
Figure 112019118146409-pat00016
로 정의되며,
Figure 112019118146409-pat00017
는 입력 매트릭스로
Figure 112019118146409-pat00018
로 정의되고
Figure 112019118146409-pat00019
는 시스템 관성이고,
Figure 112019118146409-pat00020
는 모터의 토크 상수이며,
Figure 112019118146409-pat00021
는 제어기의 제어 주기에 해당한다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00010
Is the state variable,
Figure 112019118146409-pat00011
Position feedback,
Figure 112019118146409-pat00012
Is the speed feedback value,
Figure 112019118146409-pat00013
Is the control input provided from the controller,
Figure 112019118146409-pat00014
Is a generalized disturbance,
Figure 112019118146409-pat00015
Is the system matrix
Figure 112019118146409-pat00016
Is defined as,
Figure 112019118146409-pat00017
Is the input matrix
Figure 112019118146409-pat00018
Is defined as
Figure 112019118146409-pat00019
Is the system inertia,
Figure 112019118146409-pat00020
Is the torque constant of the motor,
Figure 112019118146409-pat00021
Corresponds to the control cycle of the controller.)

상태 변수(

Figure 112019118146409-pat00022
)는 부하부(120)의 피드백 정보(
Figure 112019118146409-pat00023
)를 기초로 상태 변수 계산부(112)에서 계산될 수 있다. 절환 함수 계산부(111A)는 현재 상태의 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00024
)을 정의할 수 있다. 절환 함수 계산부(111A)는 입력되는 레퍼런스(
Figure 112019118146409-pat00025
)와 피드백 된 부하부의 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00026
)으로 구성된 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00027
)을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00028
)은 하기 수학식 2와 같이 정의된다.State variable (
Figure 112019118146409-pat00022
) Is the feedback information of the load unit 120 (
Figure 112019118146409-pat00023
) Can be calculated in the state variable calculation unit 112 based on. The switching function calculation unit 111A outputs the switching function in the current state (
Figure 112019118146409-pat00024
) Can be defined. The switching function calculation unit 111A is an input reference (
Figure 112019118146409-pat00025
) And the state variable of the load part fed back (
Figure 112019118146409-pat00026
Switching function output consisting of (
Figure 112019118146409-pat00027
) Can be calculated. Switching function output (
Figure 112019118146409-pat00028
) Is defined as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019118146409-pat00029
Figure 112019118146409-pat00029

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00030
는 오차 함수로,
Figure 112019118146409-pat00031
로 정의되고,
Figure 112019118146409-pat00032
는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00030
Is the error function,
Figure 112019118146409-pat00031
Is defined as,
Figure 112019118146409-pat00032
Is the gain matrix related to the switching function.)

즉, 절환 함수 출력(

Figure 112019118146409-pat00033
)은 입력되는 레퍼런스(
Figure 112019118146409-pat00034
)와 상기 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00035
)를 기초로 정의된다.In other words, the switching function output (
Figure 112019118146409-pat00033
) Is the input reference (
Figure 112019118146409-pat00034
) And the above state variable (
Figure 112019118146409-pat00035
) Is defined on the basis of.

외란 추정부(111B)는 외란 추정 이득(

Figure 112021031934210-pat00036
)과 절환 함수 출력(
Figure 112021031934210-pat00037
)에 기초하여 외란 추정값(
Figure 112021031934210-pat00038
)을 계산할 수 있다. 외란 추정 값(
Figure 112021031934210-pat00039
)은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.The disturbance estimating unit 111B is the disturbance estimation gain (
Figure 112021031934210-pat00036
) And switching function output (
Figure 112021031934210-pat00037
) Based on the disturbance estimate (
Figure 112021031934210-pat00038
) Can be calculated. Disturbance estimate (
Figure 112021031934210-pat00039
) Is defined as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019118146409-pat00040
Figure 112019118146409-pat00040

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00041
는 오차 함수(
Figure 112019118146409-pat00042
)가 슬라이딩 매니폴드로 도달하는 속도를 결정하는 파라미터,
Figure 112019118146409-pat00043
는 포화 함수의 이득이며,
Figure 112019118146409-pat00044
는 포화 함수의 경계층의 두께(boundary layer thickness)를 결정하는 파라미터,
Figure 112019118146409-pat00045
는 외란 추정 이득이다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00041
Is the error function (
Figure 112019118146409-pat00042
A parameter that determines the speed at which) reaches into the sliding manifold,
Figure 112019118146409-pat00043
Is the gain of the saturation function,
Figure 112019118146409-pat00044
Is a parameter that determines the boundary layer thickness of the saturation function,
Figure 112019118146409-pat00045
Is the estimated gain of disturbance.)

수학식 1의 상태 공간 방정식에서, 절환 함수 출력(

Figure 112021031934210-pat00046
)을 0으로 만들기 위한, 외란 추정부(111B)가 추정한 외란 추정 값(
Figure 112021031934210-pat00047
)과 제어 입력 계산부(111C)의 제어 입력(
Figure 112021031934210-pat00048
)이 정의될 수 있다. 제어 입력 계산부는 절환 함수 출력(
Figure 112021031934210-pat00049
), 상기 외란 추정 값(
Figure 112021031934210-pat00050
) 및 상기 상태 변수(
Figure 112021031934210-pat00051
)에 기초하여 현재 상태의 제어 입력(
Figure 112021031934210-pat00052
)을 계산한다. 현재 상태의 제어 입력(
Figure 112021031934210-pat00053
)은 하기 수학식 4와 같이 정의된다.In the state space equation of Equation 1, the switching function output (
Figure 112021031934210-pat00046
) To be 0, the disturbance estimation value estimated by the disturbance estimation unit 111B (
Figure 112021031934210-pat00047
) And the control input of the control input calculation unit 111C (
Figure 112021031934210-pat00048
) Can be defined. The control input calculation unit outputs the switching function (
Figure 112021031934210-pat00049
), the estimated disturbance value (
Figure 112021031934210-pat00050
) And the state variable (
Figure 112021031934210-pat00051
) Based on the control input of the current state (
Figure 112021031934210-pat00052
) Is calculated. Control input in the current state (
Figure 112021031934210-pat00053
) Is defined as in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019118146409-pat00054
Figure 112019118146409-pat00054

(여기서, 제어 입력(

Figure 112019118146409-pat00055
)에서
Figure 112019118146409-pat00056
는 상기 외란 추정 값(
Figure 112019118146409-pat00057
)을 제외한 값이다.)(Here, control input(
Figure 112019118146409-pat00055
)in
Figure 112019118146409-pat00056
Is the estimated disturbance value (
Figure 112019118146409-pat00057
It is the value excluding ).)

즉, 현재 상태의 제어 입력(

Figure 112019118146409-pat00058
)은 상기 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00059
), 상기 외란 추정 값(
Figure 112019118146409-pat00060
), 외부로부터 입력되는 레퍼런스(
Figure 112019118146409-pat00061
) 및 상기 상태 변수 생성부로부터 출력된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00062
)를 기초로 정의된다. 따라서, 부하부(120)의 엔코더(123)의 통신, 제어 입력을 생성하는 데에 필요한 연산 등에 시간이 소요되어 필연적으로 시간 지연이 발생하는 경우 전체 시스템의 성능 및 안정성의 저하가 야기될 수 있다. In other words, the control input of the current state (
Figure 112019118146409-pat00058
) Is the switching function output (
Figure 112019118146409-pat00059
), the estimated disturbance value (
Figure 112019118146409-pat00060
), reference input from the outside (
Figure 112019118146409-pat00061
) And the state variable output from the state variable generator (
Figure 112019118146409-pat00062
) Is defined on the basis of. Therefore, if time is required for communication of the encoder 123 of the load unit 120 or an operation required to generate a control input, and inevitably a time delay occurs, the performance and stability of the entire system may be deteriorated. .

여기서 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(100)는 부하부(120)에서 제공되는 피드백 정보(

Figure 112019118146409-pat00063
)의 시간 지연을 보상하기 위한 위치 예측부(113)를 더 포함할 수 있으며, 시간 지연의 보상을 통해 전체 시스템의 성능 저하와 안정성 저하를 방지할 수 있다. 이하, 위치 예측부(113)를 적용한 본 실시예의 제어기(100)에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.Here, the controller 100 according to an embodiment of the present invention provides feedback information provided by the load unit 120 (
Figure 112019118146409-pat00063
A position prediction unit 113 for compensating for a time delay of) may be further included, and a decrease in performance and stability of the entire system may be prevented by compensating for the time delay. Hereinafter, the controller 100 of the present embodiment to which the position prediction unit 113 is applied will be described in more detail.

본 발명의 이산 시간 상태 공간 방정식은 상기 수학식 1 및 4를 활용하여 수학식 5과 같이 나타낼 수 있다.The discrete time state-space equation of the present invention can be expressed as Equation 5 using Equations 1 and 4 above.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019118146409-pat00064
Figure 112019118146409-pat00064

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00065
는 실제 외란(
Figure 112019118146409-pat00066
)과 외란 추정값(
Figure 112019118146409-pat00067
)의 차이를 나타낸다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00065
Is the actual disturbance (
Figure 112019118146409-pat00066
) And the disturbance estimate (
Figure 112019118146409-pat00067
) Represents the difference.)

상기 수학식에서 외란(

Figure 112019118146409-pat00068
)의 변화율이 충분히 느림을 가정할 경우, 실제 외란(
Figure 112019118146409-pat00069
)과 외란 추정값(
Figure 112019118146409-pat00070
)의 차이를 0으로 볼 수 있다(
Figure 112019118146409-pat00071
). Disturbance in the above equation (
Figure 112019118146409-pat00068
Assuming that the rate of change of) is slow enough, the actual disturbance (
Figure 112019118146409-pat00069
) And the disturbance estimate (
Figure 112019118146409-pat00070
The difference between) can be seen as 0 (
Figure 112019118146409-pat00071
).

따라서 외란이 충분히 보상된 이산 시간 상태 공간 방정식은 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the discrete time state-space equation in which the disturbance is sufficiently compensated can be expressed as Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019118146409-pat00072
Figure 112019118146409-pat00072

상태 변수 계산부(112)는 부하부(120)의 위치 피드백 정보(

Figure 112019118146409-pat00073
)와 오일러 미분 방법을 활용해 각속도 피드백 정보를 계산할 수 있고, 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00074
)는 하기 수학식 7와 같은 상태 변수로 나타낼 수 있다.The state variable calculation unit 112 includes position feedback information of the load unit 120 (
Figure 112019118146409-pat00073
) And Euler's differential method can be used to calculate the angular velocity feedback information, and the state variable (
Figure 112019118146409-pat00074
) Can be expressed as a state variable such as Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019118146409-pat00075
Figure 112019118146409-pat00075

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00076
는 샘플링 시간을 의미하고,
Figure 112019118146409-pat00077
Figure 112019118146409-pat00078
는 각각 각변위와 각속도를 나타낸다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00076
Means the sampling time,
Figure 112019118146409-pat00077
Wow
Figure 112019118146409-pat00078
Represents angular displacement and angular velocity, respectively.)

디지털 제어 수행 시 엔코더 통신, 제어 연산 등에 시간이 소요되어 불가피하게 피드백 신호에 시간 지연이 발생할 수 있다. 위치 예측부(113)는 상기 수학식 6 및 7을 활용하여 부하부(120)에서의 한 샘플링 시간에 해당하는 지연을 보상할 수 있다. 즉, 위치 예측부(113)는 상태 변수 계산부에서 제공된 상태 변수(

Figure 112019118146409-pat00079
)와 이전 샘플링 단계의 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00080
)에서 외란 추정값(
Figure 112019118146409-pat00081
)을 제외한 값(
Figure 112019118146409-pat00082
)에 기초하여 시간 지연이 있는 시스템의 위치를 계산할 수 있으며, 시간 지연이 보상된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00083
)를 생성할 수 있다. 시간 지연이 보상된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00084
)는 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. When performing digital control, it takes time for encoder communication and control operation, so a time delay may inevitably occur in the feedback signal. The position prediction unit 113 may compensate for a delay corresponding to one sampling time in the load unit 120 by using Equations 6 and 7 above. That is, the position prediction unit 113 is a state variable (
Figure 112019118146409-pat00079
) And the control input of the previous sampling step (
Figure 112019118146409-pat00080
) To the disturbance estimate (
Figure 112019118146409-pat00081
Values excluding (
Figure 112019118146409-pat00082
), the position of the system with the time delay can be calculated, and the time delay compensated state variable (
Figure 112019118146409-pat00083
) Can be created. The time delay compensated state variable (
Figure 112019118146409-pat00084
) Can be expressed as in Equation 8 below.

[수학식 8] [Equation 8]

Figure 112019118146409-pat00085
Figure 112019118146409-pat00085

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00086
는 각변위 추정값,
Figure 112019118146409-pat00087
는 각속도 추정값을 나타낸다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00086
Is the estimated value of the angular displacement,
Figure 112019118146409-pat00087
Represents the angular velocity estimate.)

여기서, 수학식 8에서 시간 지연이 보상된 상태 변수(

Figure 112019118146409-pat00088
)는
Figure 112019118146409-pat00089
,
Figure 112019118146409-pat00090
Figure 112019118146409-pat00091
만을 이용하여 표현된 것으로, 이는 단순한 대수 계산만을 수행하여 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수를 계산한 것이다. 즉, 극점이 없는 유한 임펄스 응답 필터 형태로, 입력-출력 안정성(Bounded-Input Bounded-Output stable)이 항상 보장될 수 있다.Here, in Equation 8, the time delay is compensated for the state variable (
Figure 112019118146409-pat00088
) Is
Figure 112019118146409-pat00089
,
Figure 112019118146409-pat00090
Wow
Figure 112019118146409-pat00091
It is expressed using only, and this is a calculation of the state variable of the position feedback compensated for the time delay by performing only a simple logarithmic calculation. That is, in the form of a finite impulse response filter without poles, Bounded-Input Bounded-Output stable can always be guaranteed.

즉, 본 실시예에 따른 제어기(110)는 상술한 위치 예측부(113)를 포함하여 종래와 같이 단순한 위치 피드백을 활용한 상태 변수(

Figure 112019118146409-pat00092
)를 사용하지 않고 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00093
)을 사용하여 가변 구조 제어를 수행할 수 있다. 즉, 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00094
)를 활용해 계산했던 종래의 수학식 2 및 수학식 4에서 상태 변수 항만 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00095
)로 변경되어 별도의 수식 변화 없이 전체적인 제어가 수행될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 제어기(110)는 상기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력 받은 레퍼런스(
Figure 112019118146409-pat00096
)를 추종하도록 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00097
)을 생성하도록 구성될 수 있다.That is, the controller 110 according to the present embodiment includes the above-described position predictor 113 and uses a simple position feedback as in the related art.
Figure 112019118146409-pat00092
), and the time delay is compensated for the state variable of the position feedback (
Figure 112019118146409-pat00093
) Can be used to perform variable structure control. That is, the state variable (
Figure 112019118146409-pat00094
) In the conventional Equations 2 and 4 calculated using the state variable of the position feedback in which the port time delay is compensated (
Figure 112019118146409-pat00095
), so that overall control can be performed without a separate formula change. That is, in the system environment of the discrete time state-space equation according to Equation 1, the controller 110 according to the present embodiment receives an input reference (
Figure 112019118146409-pat00096
Control input (
Figure 112019118146409-pat00097
) Can be configured to generate.

또한, 절환 함수 계산부(111A)는 입력되는 레퍼런스(

Figure 112019118146409-pat00098
)와 시간 지연이 보상된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00099
)으로 구성된 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00100
)을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00101
)은 하기 수학식 9와 같이 정의된다.In addition, the switching function calculation unit 111A is an input reference (
Figure 112019118146409-pat00098
) And the time delay compensated state variable (
Figure 112019118146409-pat00099
Switching function output consisting of (
Figure 112019118146409-pat00100
) Can be calculated. Switching function output (
Figure 112019118146409-pat00101
) Is defined as in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112019118146409-pat00102
Figure 112019118146409-pat00102

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00103
는 오차 함수로,
Figure 112019118146409-pat00104
로 정의되고,
Figure 112019118146409-pat00105
는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00103
Is the error function,
Figure 112019118146409-pat00104
Is defined as,
Figure 112019118146409-pat00105
Is the gain matrix related to the switching function.)

또한, 제어 입력 계산부(111C)는 현재 상태의 제어 입력(

Figure 112019118146409-pat00106
)를 하기 수학식 10과 같이 계산하여, 부하부(120)에 출력한다.In addition, the control input calculation unit 111C is a control input in the current state (
Figure 112019118146409-pat00106
) Is calculated as in Equation 10 below, and output to the load unit 120.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019118146409-pat00107
Figure 112019118146409-pat00107

본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(100)는 종래의 제어기에서 보장되었던 안정도에 영향을 미치지 않고 상태 변수만 변경된 식을 활용해 시간 지연이 보상된 결과를 제공할 수 있다. 이에 따라, 시스템의 안정도가 향상되고 제어기의 게인을 더 높여 더 높은 제어 성능을 가질 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기의 실시예에 대해 설명하도록 한다.The controller 100 according to an embodiment of the present invention may provide a result of compensating for a time delay by using an equation in which only a state variable is changed without affecting the stability guaranteed in a conventional controller. Accordingly, the stability of the system is improved, and the gain of the controller is further increased to have a higher control performance. Hereinafter, an embodiment of a controller according to an embodiment of the present invention will be described.

[실시예][Example]

제어 대상은 400W AC 서보 모터로, 산업용 벨트 드라이브 시스템에 장착된다. 샘플링 주기(

Figure 112019118146409-pat00108
)는 0.125 ms이다. 제어기의 각 파라미터는 하기 표 1과 같이 설정되었다.The control target is a 400W AC servo motor, which is mounted on an industrial belt drive system. Sampling cycle (
Figure 112019118146409-pat00108
) Is 0.125 ms. Each parameter of the controller was set as shown in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure 112019118146409-pat00109
Figure 112019118146409-pat00109

제어 대상의 레퍼런스는 제어 대상의 각변위(angular position,

Figure 112019118146409-pat00110
) 및 각속도(angular velocity,
Figure 112019118146409-pat00111
)이다. 도 3는 예시적인 레퍼런스를 도시한 그래프이다. 도 3a는 각각 제어 대상의 각변위에 대한 레퍼런스, 도 3b는 제어 대상의 각속도에 대한 레퍼런스를 도시한 그래프이다.The reference to the control object is the angular position of the control object.
Figure 112019118146409-pat00110
) And angular velocity,
Figure 112019118146409-pat00111
)to be. 3 is a graph showing an exemplary reference. 3A is a graph showing a reference for an angular displacement of a control target, and FIG. 3B is a graph showing a reference for an angular velocity of a control target.

도 4는 종래의 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다. 도 4a는 각변위 오차, 도 4b는 각속도, 도 4c는 레퍼런스에 대한 전류 명령 값의 변화를 도시한 것이다.4 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to a conventional controller. 4A shows an angular displacement error, FIG. 4B shows an angular velocity, and FIG. 4C shows a change in a current command value for a reference.

도 5는 본 실시예에 따른 제어기에 도 3a 및 도 3b의 레퍼런스를 입력한 결과를 도시한 그래프이다. 도 5a는 각변위 오차, 도 5b는 각속도, 도 5c는 레퍼런스에 대한 전류 명령 값의 변화를 도시한 것이다.5 is a graph showing a result of inputting the reference of FIGS. 3A and 3B to the controller according to the present embodiment. 5A shows an angular displacement error, FIG. 5B shows an angular velocity, and FIG. 5C shows a change in a current command value for a reference.

도 4 및 도 5를 비교하면, 종래의 제어기를 사용하여 벨트 드라이브 시스템을 구동할 경우 시스템의 안정도 마진이 부족하여 시스템에 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 제어기의 경우 시스템의 안정도 마진이 향상되어 공진 없이 구동하는 것을 확인할 수 있다. Comparing FIGS. 4 and 5, it can be seen that when the belt drive system is driven by using a conventional controller, the system has insufficient stability margin and thus resonance occurs in the system. In contrast, in the case of the controller according to the present embodiment, it can be seen that the stability margin of the system is improved and thus the controller is driven without resonance.

즉, 본 실시예에 따른 제어기(100)는 시간 지연이 있는 상황에서 시간 지연으로 인한 영향을 보상하여 안정적인 서보 제어를 제공할 수 있다. 또한, 가변 구조 제어 방법 및 외란 추정부의 장점인 강인성과 뛰어난 추종 성능 구조를 유지하면서 강인성까지 제공할 수 있다.That is, the controller 100 according to the present embodiment can provide stable servo control by compensating for an effect of the time delay in a situation where there is a time delay. In addition, it is possible to provide robustness while maintaining the robustness, which is the advantage of the variable structure control method and the disturbance estimation unit, and excellent tracking performance structure.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법에 대해 설명한다. 제어기는 상술한 도 1 내지 도 5의 제어기(110)일 수 있으며, 본 실시예의 설명을 위해 도 1 내지 도 5가 참조될 수 있다.Hereinafter, a method of controlling a controller according to another embodiment of the present invention will be described. The controller may be the controller 110 of FIGS. 1 to 5 described above, and FIGS. 1 to 5 may be referred to for explanation of the present embodiment.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법의 순서도이다. 도 7은 레퍼런스를 추종하는 제어를 수행하는 단계의 세부적인 단계를 도시한 순서도이다.6 is a flowchart of a control method of a controller according to another embodiment of the present invention. 7 is a flow chart showing detailed steps of performing control following a reference.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 단계(S100); 상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 단계(S200); 및 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 단계(S300)를 포함한다. 6 and 7, a control method of a controller according to another embodiment of the present invention includes calculating a state variable based on position feedback of a load (S100); Generating a state variable compensated for the time delay based on the state variable and a control input of the previous sampling step (S200); And performing a variable structure control following the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay (S300).

먼저, 부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산한다(S100).First, a state variable is calculated based on the position feedback of the load unit (S100).

상태 변수 계산부(112)는 부하부(120)의 위치 피드백 정보(

Figure 112019118146409-pat00112
)와 오일러 미분 방법을 활용해 각속도 피드백 정보를 계산할 수 있고, 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00113
)는 하기 수학식 7와 같은 상태 변수로 나타낼 수 있다.The state variable calculation unit 112 includes position feedback information of the load unit 120 (
Figure 112019118146409-pat00112
) And Euler's differential method can be used to calculate the angular velocity feedback information, and the state variable (
Figure 112019118146409-pat00113
) Can be expressed as a state variable such as Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019118146409-pat00114
Figure 112019118146409-pat00114

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00115
는 샘플링 시간을 의미하고,
Figure 112019118146409-pat00116
Figure 112019118146409-pat00117
는 각각 각변위와 각속도를 나타낸다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00115
Means the sampling time,
Figure 112019118146409-pat00116
Wow
Figure 112019118146409-pat00117
Represents angular displacement and angular velocity, respectively.)

상태 변수는 상기 위치 피드백과 상기 위치 피드백의 미분 값으로 구성될 수 있다. The state variable may be composed of a differential value of the position feedback and the position feedback.

상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성한다(S200).A state variable compensated for the time delay is generated based on the state variable and the control input of the previous sampling step (S200).

위치 예측부(113)는 상태 변수 계산부에서 제공된 상태 변수(

Figure 112019118146409-pat00118
)와 이전 샘플링 단계의 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00119
)에서 외란 추정값(
Figure 112019118146409-pat00120
)을 제외한 값(
Figure 112019118146409-pat00121
)에 기초하여 시간 지연이 있는 시스템의 위치를 계산할 수 있으며, 시간 지연이 보상된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00122
)를 생성할 수 있다. 시간 지연이 보상된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00123
)는 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The position prediction unit 113 is a state variable (
Figure 112019118146409-pat00118
) And the control input of the previous sampling step (
Figure 112019118146409-pat00119
) To the disturbance estimate (
Figure 112019118146409-pat00120
Values excluding (
Figure 112019118146409-pat00121
), the position of the system with the time delay can be calculated, and the time delay compensated state variable (
Figure 112019118146409-pat00122
) Can be created. The time delay compensated state variable (
Figure 112019118146409-pat00123
) Can be expressed as in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019118146409-pat00124
Figure 112019118146409-pat00124

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00125
는 각변위 추정값,
Figure 112019118146409-pat00126
는 각속도 추정값을 나타낸다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00125
Is the estimated value of the angular displacement,
Figure 112019118146409-pat00126
Represents the angular velocity estimate.)

여기서, 수학식 8에서 시간 지연이 보상된 상태 변수(

Figure 112019118146409-pat00127
)는
Figure 112019118146409-pat00128
,
Figure 112019118146409-pat00129
Figure 112019118146409-pat00130
만을 이용하여 표현된 것으로, 이는 단순한 대수 계산만을 수행하여 시간 지연이 보상된 위치 피드백의 상태 변수를 계산한 것이다. 즉, 극점이 없는 유한 임펄스 응답 필터 형태로, 입력-출력 안정성(Bounded-Input Bounded-Output stable)이 항상 보장될 수 있다.Here, in Equation 8, the time delay is compensated for the state variable (
Figure 112019118146409-pat00127
) Is
Figure 112019118146409-pat00128
,
Figure 112019118146409-pat00129
Wow
Figure 112019118146409-pat00130
It is expressed using only, and this is a calculation of the state variable of the position feedback compensated for the time delay by performing only a simple logarithmic calculation. That is, in the form of a finite impulse response filter without poles, Bounded-Input Bounded-Output stable can always be guaranteed.

외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행한다(S300).A variable structure control for following the reference is performed by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay (S300).

본 실시예에 따른 제어기(110)는 하기 수학식 1에 따른 이산 시간 상태 공간 방정식의 시스템 환경에서, 입력 받은 레퍼런스(

Figure 112019118146409-pat00131
)를 추종하도록 제어 입력(
Figure 112019118146409-pat00132
)을 생성하도록 구성될 수 있다.In the system environment of the discrete time state-space equation according to Equation 1 below, the controller 110 according to the present embodiment receives an input reference (
Figure 112019118146409-pat00131
Control input (
Figure 112019118146409-pat00132
) Can be configured to generate.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019118146409-pat00133
Figure 112019118146409-pat00133

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00134
는 상태 변수로,
Figure 112019118146409-pat00135
는 위치 피드백,
Figure 112019118146409-pat00136
는 속도 피드백 값이며,
Figure 112019118146409-pat00137
는 제어기로부터 제공되는 제어 입력,
Figure 112019118146409-pat00138
는 일반화된 외란,
Figure 112019118146409-pat00139
는 시스템 매트릭스로
Figure 112019118146409-pat00140
로 정의되며,
Figure 112019118146409-pat00141
는 입력 매트릭스로
Figure 112019118146409-pat00142
로 정의되고
Figure 112019118146409-pat00143
는 시스템 관성이고,
Figure 112019118146409-pat00144
는 모터의 토크 상수이며,
Figure 112019118146409-pat00145
는 제어기의 제어 주기에 해당한다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00134
Is the state variable,
Figure 112019118146409-pat00135
Position feedback,
Figure 112019118146409-pat00136
Is the speed feedback value,
Figure 112019118146409-pat00137
Is the control input provided from the controller,
Figure 112019118146409-pat00138
Is a generalized disturbance,
Figure 112019118146409-pat00139
Is the system matrix
Figure 112019118146409-pat00140
Is defined as,
Figure 112019118146409-pat00141
Is the input matrix
Figure 112019118146409-pat00142
Is defined as
Figure 112019118146409-pat00143
Is the system inertia,
Figure 112019118146409-pat00144
Is the torque constant of the motor,
Figure 112019118146409-pat00145
Corresponds to the control cycle of the controller.)

여기서, 상기 가변 구조 제어를 수행하는 단계(S300)는, 상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 단계(S310); 상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계(S320); 및 상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 단계(S330)를 포함한다.Here, the step of performing the variable structure control (S300) may include calculating a difference between the reference and the output of the state variable compensated for the time delay, and calculating a switching function output based on the difference (S310); Calculating an estimated disturbance value based on the switching function output (S320); And calculating a control input of the current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and a state variable compensated for the time delay (S330).

상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 단계(S310)는 절환 함수 계산부(111A)에서 수행된다. 또한, 절환 함수 계산부(111A)는 입력되는 레퍼런스(

Figure 112019118146409-pat00146
)와 시간 지연이 보상된 상태 변수(
Figure 112019118146409-pat00147
)으로 구성된 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00148
)을 계산할 수 있다. 절환 함수 출력(
Figure 112019118146409-pat00149
)은 하기 수학식 9과 같이 정의된다.Calculating a difference between the reference and the output of the state variable compensated for the time delay, and calculating the switching function output based on the difference (S310) is performed by the switching function calculating unit 111A. In addition, the switching function calculation unit 111A is an input reference (
Figure 112019118146409-pat00146
) And the time delay compensated state variable (
Figure 112019118146409-pat00147
Switching function output consisting of (
Figure 112019118146409-pat00148
) Can be calculated. Switching function output (
Figure 112019118146409-pat00149
) Is defined as in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112019118146409-pat00150
Figure 112019118146409-pat00150

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00151
는 오차 함수로,
Figure 112019118146409-pat00152
로 정의되고,
Figure 112019118146409-pat00153
는 절환 함수 관련 게인 매트릭스이다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00151
Is the error function,
Figure 112019118146409-pat00152
Is defined as,
Figure 112019118146409-pat00153
Is the gain matrix related to the switching function.)

상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계(S320)는 외란 추정부(111B)에서 수행된다. 외란 추정부(111B)는 외란 추정 이득(

Figure 112021031934210-pat00154
)과 절환 함수 출력(
Figure 112021031934210-pat00155
)에 기초하여 외란 추정값(
Figure 112021031934210-pat00156
)을 계산할 수 있다. 외란 추정 값(
Figure 112021031934210-pat00157
)은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.The step (S320) of calculating a disturbance estimation value based on the switching function output is performed by the disturbance estimation unit 111B. The disturbance estimating unit 111B is the disturbance estimation gain (
Figure 112021031934210-pat00154
) And switching function output (
Figure 112021031934210-pat00155
) Based on the disturbance estimate (
Figure 112021031934210-pat00156
) Can be calculated. Disturbance estimate (
Figure 112021031934210-pat00157
) Is defined as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019118146409-pat00158
Figure 112019118146409-pat00158

(여기서,

Figure 112019118146409-pat00159
는 오차 함수(
Figure 112019118146409-pat00160
)가 슬라이딩 매니폴드로 도달하는 속도를 결정하는 파라미터,
Figure 112019118146409-pat00161
는 포화 함수의 이득이며,
Figure 112019118146409-pat00162
는 포화 함수의 경계층의 두께(boundary layer thickness)를 결정하는 파라미터,
Figure 112019118146409-pat00163
는 외란 추정 이득이다.)(here,
Figure 112019118146409-pat00159
Is the error function (
Figure 112019118146409-pat00160
A parameter that determines the speed at which) reaches into the sliding manifold,
Figure 112019118146409-pat00161
Is the gain of the saturation function,
Figure 112019118146409-pat00162
Is a parameter that determines the boundary layer thickness of the saturation function,
Figure 112019118146409-pat00163
Is the estimated gain of disturbance.)

상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 단계(S330)는 제어 입력 계산부(111C)에서 수행된다. 제어 입력 계산부(111C)는 현재 상태의 제어 입력(

Figure 112019118146409-pat00164
)를 하기 수학식 10과 같이 계산하여, 부하부(120)에 출력할 수 있다.The step (S330) of calculating the control input of the current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and the time delay compensated state variable (S330) is performed by the control input calculation unit 111C. The control input calculation unit 111C is the control input in the current state (
Figure 112019118146409-pat00164
) Can be calculated as in Equation 10 below and output to the load unit 120.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019118146409-pat00165
Figure 112019118146409-pat00165

본 발명의 다른 실시예에 따른 제어기의 제어 방법은 종래의 제어기에서 보장되었던 안정도에 영향을 미치지 않고 상태 변수만 변경된 식을 활용해 시간 지연이 보상된 결과를 제공할 수 있다. 이에 따라, 시스템의 안정도가 향상되고 제어기의 게인을 더 높여 더 높은 제어 성능을 가질 수 있다.The control method of a controller according to another embodiment of the present invention may provide a result of compensating for a time delay by using an equation in which only a state variable is changed without affecting the stability guaranteed in a conventional controller. Accordingly, the stability of the system is improved, and the gain of the controller is further increased to have a higher control performance.

이상에서 설명한 실시예들에 따른 제어기의 제어 방법에 의한 동작은, 적어도 부분적으로 컴퓨터 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 실시예들에 따른 제어기의 제어 방법에 의한 동작을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다.The operation by the control method of the controller according to the above-described embodiments may be implemented at least partially as a computer program and recorded on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium in which a program for implementing an operation of a controller control method according to the embodiments is recorded and includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer is stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tapes, floppy disks, and optical data storage devices. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed over a computer system connected through a network, and computer-readable codes may be stored and executed in a distributed manner. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing this embodiment may be easily understood by those of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to examples, the present invention should not be construed as being limited by these examples or drawings, and those skilled in the art will be able to understand the spirit and scope of the present invention described in the following claims. It will be appreciated that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from.

10: 제어 시스템
110: 제어기
111: 절환 함수 계산부
112: 상태 변수 계산부
113: 위치 예측부
120: 부하부
121: 전류 제어기
122: 제어 대상
123: 엔코더
10: control system
110: controller
111: switching function calculation unit
112: state variable calculation unit
113: position prediction unit
120: load
121: current controller
122: control target
123: encoder

Claims (15)

부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 상태 변수 계산부;
상기 상태 변수 계산부의 출력과 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 위치 예측부; 및
외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 가변 구조 제어부를 포함하고,
상기 가변 구조 제어부는,
상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 절환 함수 계산부;
상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 외란 추정부; 및
상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 제어 입력 계산부를 포함하는 제어기.
A state variable calculation unit that calculates a state variable based on the position feedback of the load unit;
A position prediction unit for generating a state variable for which a time delay is compensated based on an output of the state variable calculation unit and a control input of a previous sampling step; And
A variable structure control unit for performing variable structure control for following the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay,
The variable structure control unit,
A switching function calculation unit calculating a difference between the reference and an output of the state variable compensated for the time delay, and calculating a switching function output based on the difference;
A disturbance estimating unit that calculates a disturbance estimation value based on the switching function output; And
And a control input calculator configured to calculate a control input of a current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and a state variable compensated for the time delay.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 절환 함수 출력은 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기.
The method of claim 1,
The switching function output is defined based on a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.
제1 항에 있어서,
상기 외란 추정값은 상기 절환 함수 출력 및 외란 추정 이득을 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기.
The method of claim 1,
The disturbance estimation value is defined based on the switching function output and the disturbance estimation gain.
제1 항에 있어서,
상기 제어 입력은 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값, 외부로부터 입력되는 레퍼런스 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기.
The method of claim 1,
The control input is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, and a state variable compensated for the time delay.
제1 항에 있어서,
상기 상태 변수는 상기 위치 피드백과 상기 위치 피드백의 미분 값으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어기.
The method of claim 1,
Wherein the state variable is composed of a differential value of the position feedback and the position feedback.
제1 항에 있어서,
상기 시간 지연이 보상된 상태 변수는 상기 상태 변수와 상기 제어 입력 계산부의 직전 샘플링 단계의 출력을 기초로 시스템 모델을 반영하여 계산하는 것을 특징으로 하는 제어기.
The method of claim 1,
The state variable compensated for the time delay is calculated by reflecting a system model based on the state variable and an output of the immediately preceding sampling step of the control input calculator.
부하부의 위치 피드백을 기초로 상태 변수를 계산하는 단계;
상기 상태 변수와 직전 샘플링 단계의 제어 입력에 기초하여 시간 지연이 보상된 상태 변수를 생성하는 단계; 및
외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 입력으로 상기 레퍼런스를 추종하는 가변 구조 제어를 수행하는 단계를 포함하고,
상기 가변 구조 제어를 수행하는 단계는,
상기 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수의 출력의 차이를 계산하고, 상기 차이에 기초하여 절환 함수 출력을 계산하는 단계;
상기 절환 함수 출력에 기초하여 외란 추정값을 계산하는 단계; 및
상기 레퍼런스, 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수에 기초하여 현재 샘플링 단계의 제어 입력을 계산하는 단계를 포함하는 제어기의 제어 방법.
Calculating a state variable based on the position feedback of the load unit;
Generating a state variable compensated for the time delay based on the state variable and a control input of the previous sampling step; And
Comprising the step of performing variable structure control to follow the reference by inputting a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay,
The step of performing the variable structure control,
Calculating a difference between the reference and the output of the state variable compensated for the time delay, and calculating a switching function output based on the difference;
Calculating a disturbance estimate based on the switching function output; And
And calculating a control input of a current sampling step based on the reference, the switching function output, the disturbance estimation value, and a state variable compensated for the time delay.
삭제delete 제8 항에 있어서,
상기 절환 함수 출력은 외부로부터 입력되는 레퍼런스와 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.
The method of claim 8,
The control method of a controller, characterized in that the switching function output is defined based on a reference input from an external source and a state variable compensated for the time delay.
제8 항에 있어서,
상기 외란 추정값은 상기 절환 함수 출력 및 외란 추정 이득을 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.
The method of claim 8,
The disturbance estimation value is defined based on the switching function output and the disturbance estimation gain.
제8 항에 있어서,
상기 제어 입력은 상기 절환 함수 출력, 상기 외란 추정값, 외부로부터 입력되는 레퍼런스 및 상기 시간 지연이 보상된 상태 변수를 기초로 정의되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.
The method of claim 8,
The control input is defined based on the switching function output, the disturbance estimation value, a reference input from the outside, and a state variable compensated for the time delay.
제8 항에 있어서,
상기 상태 변수는 상기 위치 피드백과 상기 위치 피드백의 미분 값으로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.
The method of claim 8,
The state variable is a control method of a controller, characterized in that consisting of a differential value of the position feedback and the position feedback.
제8 항에 있어서,
상기 시간 지연이 보상된 상태 변수는 상기 상태 변수와 상기 제어 입력 계산부의 직전 샘플링 단계의 출력을 기초로 시스템 모델을 반영하여 계산하는 것을 특징으로 하는 제어기의 제어 방법.
The method of claim 8,
The time delay-compensated state variable is calculated by reflecting a system model based on the state variable and an output of the immediately preceding sampling step of the control input calculator.
하드웨어와 결합되어 제8항, 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제어기의 제어 방법을 실행하도록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.A computer program combined with hardware and stored in a medium to execute the control method of a controller according to any one of claims 8 and 10 to 14.
KR1020190147789A 2019-11-18 2019-11-18 Controller comprising position predict unit and a control method thereof KR102240723B1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024048819A1 (en) * 2022-08-31 2024-03-07 서울대학교산학협력단 Controller and control method based on variable structure, and recording medium for performing same control method

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D H Shah 외 1 명, Multirate Output Feedback Based Descrete-Time Sliding Mode Control for Fractional Delay Compensation in NCSs (2017) 1부.* *
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